JP7718761B2 - 水中観測装置の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、水中観測装置に関する。

水中観測装置は、海底や湖底等の水中における圧力の測定や、その微妙な圧力変化を測定することによって、水圧データや音響データなどの収集を行う装置である。水中観測装置が取得したこれらのデータは、津波の予測などの各種用途に使用されている。

このような水中観測装置は、内臓の電子部品、例えばセンサ等の電気的絶縁性を向上させるためにオイルが注入されている。特許文献１には、筐体の両端部が開口し、開口部の一端にオイル注入側板、他端に端部封止弾性体を備える水中観測装置が開示されている。

特開２０１７－１２９５１６号公報

上述した水中観測装置においては、オイルを注入するために筐体内を真空引きする際に、筐体の一方の開口面に配設された弾性体が筐体内部に引き込まれ、弾性体に過度な変形が生じるという問題点があった。

本開示の目的は、上述した課題を鑑み、弾性体の筐体内への引き込みによる過度な変形を解決する水中観測装置を提供することにある。

本開示に係る水中観測装置は、
両端が開口した筐体と、
前記筐体内に配置され、水中の環境情報を取得可能なセンサと、
前記筐体の第１の開口面を閉塞する閉塞板と、
前記筐体の第２の開口面を閉塞するとともに前記水中の圧力に応じて変形可能な弾性体と、
前記筐体内に配置され、前記弾性体の内面形状に沿った形状を有する剛性の支持部材と、
前記筐体内に充填されたオイルと、を備え、
前記弾性体の内面と、当該内面に対向する前記支持部材の面とが互いに離間した状態で配設されている。

本開示によれば、弾性体の筐体内への引き込みによる過度な変形を解決する水中観測装置を提供することができる。

実施の形態に水中観測装置を示す側面断面図である。 実施の形態に水中観測装置を示す側面断面図である。 実施の形態に係る水中観測装置にオイルを注入する様子を示す側面断面図である。

＜実施の形態＞
以下、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。
なお、図に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。特に言及のない限り、ｚ軸プラス向きが鉛直上向きである。また、図面中の符号について、同じ構成を複数備えるものについては、一部符号を省略している。

図１は、本実施の形態に係る水中観測装置を示す側面断面図である。図１に示す水中観測装置１は、筐体１０、センサ１１、閉塞板２１、弾性体３１、支持部材４１を備える。以下、筐体１０、閉塞板２１、弾性体３１及び支持部材４１によって囲まれた空間を、筐体１０内と呼ぶ。

筐体１０は、両端が開口している。センサ１１は、水中の環境情報を取得可能であり、筐体１０内に配置されている。閉塞板２１は、筐体１０の第１の開口面を閉塞する。弾性体３１は、筐体１０の第２の開口面を閉塞するとともに水中の圧力に応じて変形可能である。支持部材４１は剛性であり、筐体１０内に配置され、弾性体３１の内面形状に沿った形状を有する。筐体１０内には、オイル５１が充填されている。すなわち、センサ１１は、オイル５１中に存在する状態である。図１に示すように、弾性体３１の内面３１ａと、内面３１ａに対向する支持部材４１の面４１ａとが互いに離間した状態で配設されている。

以下、図２を参照し、図１の各構成が備える部材の詳細について説明する。
図２は、本実施の形態に係る水中観測装置を示す側面断面図である。図２に示すように、筐体１０はｘ軸方向に延在しており、両端面（ｘ軸正側のｙｚ平面、ｘ軸負側のｙｚ平面）が開口している。筐体１０の形状は、例えば円筒状であってもよく、角筒状であってもよく、断面視が多角形状の筒であってもよい。筐体１０は剛体である。筐体１０は、水中で耐食性、防食性を有する材料で形成してもよいし、水と接触する外表面に腐食防止剤などを塗布したものを用いてもよい。筐体１０のｘ軸負側の第１の開口面は剛体の閉塞板２１によって閉塞されており、筐体１０のｘ軸正側の第２の開口面は弾性体３１によって閉塞されている。

図２に示すように、筐体１０内には、水中の環境情報を取得可能なセンサ１１が配置されている。センサ１１としては、例えば、圧力センサ、温度センサ、又は超音波センサなどを使用することができる。圧力センサは、圧力とともに温度を取得可能なセンサであってもよい。

まず、筐体１０のｘ軸負側について説明する。
図２に示すように、閉塞板２１は、筐体１０のｘ軸負側の第１の開口面（ｙｚ平面）を閉塞する部材である。閉塞板２１は、平板状であって、筐体１０に嵌合可能な凸部２１ａ（図２の破線部よりｘ軸正側）を備える。筐体１０と閉塞板２１とは、Ｏリング２１ｂを介して嵌合することができる。Ｏリング２１ｂは、筐体１０と閉塞板２１との気密性を高めることができる部材である。すなわち、Ｏリング２１ｂは、筐体１０内と外部空間との連通を遮断可能な部材である。

閉塞板２１は、上述のセンサ１１に関連する部材として、シャフト１２、絶縁リング１３、センサ側端子１４、信号線１５、筐体側端子１６及び信号取出端子１７を備える。閉塞板２１が備える他の構成は後述する。

シャフト１２及び絶縁リング１３は、センサ１１を支持する部材である。図２に示すように、シャフト１２は、閉塞板２１のｘ軸正側のｙｚ平面に取り付けられており、ｘ軸方向に延在している。絶縁リング１３は、シャフト１２のｘ軸正側の先端に取り付けられている。センサ１１は、絶縁リング１３を介してシャフト１２に固定される。

センサ側端子１４、信号線１５、筐体側端子１６及び信号取出端子１７は、センサ１１が取得した検出信号を水中観測装置１の外部に出力するための部材である。図２に示すように、センサ側端子１４、信号線１５、筐体側端子１６及び信号取出端子１７は、例えば、閉塞板２１の中央部に２個ずつ配置することができる。センサ１１が取得した検出信号は、センサ側端子１４、信号線１５及び筐体側端子１６を介して、水中観測装置１の外部に出力される。筐体側端子１６は、閉塞板２１に取り付けられた信号取出端子１７によって外部に引き出される。

本実施の形態では、一例としてシャフト１２を２本、絶縁リング１３を２個示しているが、各本数および個数はセンサ１１のサイズ等に応じて適宜変更可能である。また、センサ１１を筐体１０内に支持可能であれば、支持機構としてシャフト１２以外の他の構成を用いてもよい。また、センサ側端子１４、信号線１５、筐体側端子１６及び信号取出端子１７は、センサ１１が取得した環境情報を外部へ出力可能な位置に配置すればよい。例えば、センサ側端子１４、信号線１５、筐体側端子１６及び信号取出端子１７は、筐体１０に対向するセンサ１１の表面に設けてもよい。

閉塞板２１はさらに、図２に示すように、エアー排気孔２２、オイル注入孔２３、気密部材２４、Ｏリング２４ａ、及び固定部材２５ａ、２５ｂを備える。

エアー排気孔２２及びオイル注入孔２３は、閉塞板２１に配設されたｘ軸方向に延在する貫通孔である。エアー排気孔２２は、筐体１０内からエアーを排気するための孔である。すなわち、エアー排気孔２２は、筐体１０内を真空引きするための孔である。オイル注入孔２３は、筐体１０内にオイル５１を注入するための孔である。エアー排気孔２２及びオイル注入孔２３を用いた筐体１０内のエアーの排気方法および筐体１０内へのオイル５１の注入方法は、図３を用いて後述する。

気密部材２４は、エアー排気孔２２及びオイル注入孔２３を密閉可能な栓である。気密部材２４は、エアー排気孔２２及びオイル注入孔２３にねじ込み又は圧入することができる。気密部材２４は、金属などの剛体で構成されたネジやボルトであってもよいし、ゴムなどの弾性体で形成されたネジやボルトであってもよい。弾性体で形成された気密部材２４を用いる場合は、下記のＯリング２４ａは用いなくてもよい。図２に示すように、気密部材２４がネジやボルトなどの場合、当該気密部材２４の頭部が閉塞板２１のｘ軸負側に形成された凹部に嵌まるようにねじ込み又は圧入する。なお、閉塞板２１のｘ軸負側に凹部を形成せずに、気密部材２４の頭部が閉塞板２１のｘ軸負側に突出するように構成してもよい。

Ｏリング２４ａは、気密部材２４がエアー排気孔２２及びオイル注入孔２３を閉塞する際に、気密性をより高めることができる部材である。Ｏリング２４ａは、環状の部材である。Ｏリング２４ａとして、例えばゴムなどで形成された弾性体のものを用いることができる。図２に示すように、Ｏリング２４ａが備える径は、エアー排気孔２２及びオイル注入孔２３より大きい径であって、気密部材２４の頭部の径より小さい。このような径を有するＯリング２４ａは、筐体１０内と外部空間との連通を遮断し、オイル５１が充填された筐体１０内を密閉することができる。

固定部材２５ａ、２５ｂは、筐体１０と閉塞板２１とをＯリング２１ｂを介して密着させた状態で固定可能な部材である。固定部材２５ａ、２５ｂは、例えば、ネジやボルトなどである。ボルトを用いる場合、ワッシャを組み合わせて使用してもよい。

続いて、筐体１０のｘ軸正側について説明する。
図２に示すように、弾性体３１は、筐体１０のｘ軸正側の第２の開口面（ｙｚ平面）を閉塞する部材である。弾性体３１は、水中の圧力に応じて変形可能な弾性体である。弾性体３１は、例えばシリコーンゴムを用いて形成することができる。図２に示すように、弾性体３１は、断面視ハット状とすることができる。弾性体３１の外縁部３２は、ｘ軸正側及びｘ軸負側に延在する凸形状を有している。リング４４は、弾性体３１の外縁部３２を、後述する支持部材４１の端部４３に固定する。リング４４は、外縁部３２のｘ軸正側の凸形状を固定可能な形状を有している。リング４４は、外縁部３２を全周にわたって支持部材４１の端部４３に固定することができる。リング４４と支持部材４１の端部４３の接触面は弾性体３１によって密閉されている。また、支持部材４１の端部４３と筐体１０との接触面もОリング等によって密閉されている（不図示）。

図２に示すように、支持部材４１は、筐体１０内のｘ軸正側に配置されている。支持部材４１は、図２では一例として中密の支持部材４１を示しているが、これに限定されない。他に例えば、中空の三次元構造体、又は、板状部材によって形成することができる。支持部材４１は剛体であり、圧力が加わった際に変形されにくい金属を用いて形成することができる。より具体的には、例えば、ステンレス鋼などを用いて形成することができる。

図２に示すように、支持部材４１は、弾性体３１の内面３１ａと当該内面３１ａに対向する支持部材４１の面４１ａとで形成される空間Ｓと、筐体１０内とをつなぐ、少なくとも１つの貫通孔４２を備える。貫通孔４２は、オイル５１が通過できるように設けられた孔である。貫通孔４２は、支持部材４１が水圧によって変形しない程度の強度を維持できるように設ける。

ここで、図２に示す弾性体３１の内面３１ａと、当該内面３１ａに対向する支持部材４１の面４１ａとで形成される空間Ｓの体積をＶ１とする。また、水中観測装置１を水中に配置する前のオイル５１の体積から、水圧によって収縮したオイル５１の体積を減算して求められる差の体積をＶ２とする。このとき、Ｖ１≧Ｖ２の関係を満たすように、弾性体３１及び支持部材４１の形状を定める。
上記によって、弾性体３１と支持部材４１が接触しないメリットがある。

図２に示すように、支持部材４１の端部４３は、筐体１０に密着して固定されている。端部４３の筐体１０への固定方法は特に限定されず、任意の方法で固定することができる。例えば、ねじやボルト等の固定部材で固定してもよいし、接着剤で固定してもよいし、固定部材と接着剤とを併用して固定してもよい。端部４３は、弾性体３１の外縁部３２に対応する形状を備える。例えば、図２に示すように、端部４３は、外縁部３２の凸形状に対応する凹形状を備えることができる。なお、支持部材４１の端部４３のうち、水に接触する側の面については、腐食防止剤などを塗布してもよい。

なお、支持部材４１を中空の三次元構造体若しくは板状部材によって形成する場合は、面４１ａが弾性体３１の内面３１ａ形状に沿った形状かつ水圧によって変形しない程度の強度を有するものを用いる。支持部材４１を板状部材によって形成する場合、例えば、弾性体３１と同様の形状を有してもよい。また、筐体１０内に配置するセンサ１１が圧力センサの場合、圧力センサの受圧面側が弾性体３１及び支持部材４１側に向くように配置すると、他の面側に向くように配置した場合と比べ、より正確な受圧が可能である。

また、貫通孔４２は、流体であるオイル５１が通過可能であればよい。したがって、貫通孔４２の大きさおよび形状は、支持部材４１の強度を維持可能な範囲内で任意に設定可能である。例えば、貫通孔４２の形状は、断面視で円形、楕円形、矩形、多角形とすることができる。また、図２では、面４１ｃから面４１ａへとｘ軸方向に延在する貫通孔４２を１つ示しているが、これに限定されない。例えば、面４１ｃから任意の方向に延在し、支持部材４１の内部で任意の方向に湾曲する形状であってもよい。

上記貫通孔を複数設ける場合、各貫通孔の配置が等間隔となるように配置してもよいし、任意の間隔で配置してもよい。各貫通孔の配置を等間隔とした場合は、筐体１０内にオイル５１を注入し充填する際に、空間Ｓに対してオイル５１をより均等に充填することができる。

続いて、図３を用いて、本実施の形態に係る水中観測装置にオイルを注入する流れについて説明する。図３は、本実施の形態に係る水中観測装置にオイルを注入する様子を示す側面断面図である。図３では、スペーサ２７及びパイプ２８、２９以外の構成は、図２と同様の構成であり、同じ構成は同じ符号で示す。なお、図３に示すように、水中観測装置１にオイル５１を注入する際には、図２を用いて上述した気密部材２４、固定部材２５ａ、２５ｂ及びＯリング２４ａは備えていない。

図３に示すように、オイル５１を注入している間、筐体１０と閉塞板２１との間にスペーサ２７を挟んだ状態で、筐体１０と閉塞板２１とを一時的に固定することができる。オイル５１の注入時に筐体１０と閉塞板２１との間にスペーサ２７を挟むことにより、筐体１０内の空間の体積を拡大することができる。すなわち、スペーサ２７を設けることにより、スペーサ２７を設けなかった場合と比べて、より多くのオイル５１を筐体１０内の空間へ注入することができる。なお、筐体１０と閉塞板２１とを一時的に固定する固定部材は、図２を用いて上述した固定部材２５ａ、２５ｂを用いることができる（図３では不図示）。

スペーサ２７は、例えば、Ｃ型部材を複数組み合わせた環状体を用いることができる。スペーサ２７を構成する各Ｃ型部材同士は強固に連結されていない。したがって、オイル５１を筐体１０内に充填後、筐体１０と閉塞板２１とを固定する際に、スペーサ２７を引き抜くことができる。スペーサ２７として、他に例えば、圧縮可能な環状の弾性部材で形成してもよい。

筐体１０内へのオイル５１の注入は、オイル注入装置（不図示）を用いて行うことができる。オイル注入装置は、筐体１０内を真空引きするためのポンプバルブ及びエアー吸引ポンプと、筐体１０内へオイル５１を注入するためのオイルバルブ及びオイル貯蔵部を備える（不図示）。エアー吸引ポンプは、筐体１０内のエアーを吸引する、すなわち真空引きを行うポンプである。オイル貯蔵部は、オイル５１を貯蔵している。エアー吸引後に筐体１０内の空間が負圧となることを利用して、オイル貯蔵部から筐体１０内へとオイル５１を送り出すことができる。

パイプ２８及びパイプ２９は、それぞれ閉塞板２１及びオイル注入装置に接続されている。より具体的には、閉塞板２１のエアー排気孔２２に連結されているパイプ２８には、ポンプバルブを介してエアー吸引ポンプが接続されている。また、閉塞板２１のオイル注入孔２３に連結されているパイプ２９には、オイルバルブを介してオイル貯蔵部が接続されている。

続いて、オイル注入装置が備えるエアー吸引ポンプを用いて、筐体１０内のエアーを吸引し、筐体１０内へオイル５１を注入する作業手順を説明する。

まず、作業者は、筐体１０と閉塞板２１との間にスペーサ２７を挟み、筐体１０と閉塞板２１とを固定部材を用いて固定する。次に、ポンプバルブを介してエアー吸引ポンプに接続されたパイプ２８を、エアー排気孔２２に連結する。また、オイルバルブを介してオイル貯蔵部に接続されたパイプ２９を、オイル注入孔２３に連結する。この時点では、ポンプバルブ及びオイルバルブは閉じられた状態である。

次に、作業者は、エアー吸引ポンプを作動させ、ポンプバルブを開くことにより、筐体１０内の空間を真空引きする。筐体１０内のエアーを吸引すると、弾性体３１がエアー引き込み方向（ｘ軸負方向）に引き込まれるが、剛体である支持部材４１によって当該引き込みが抑制される。続いてオイル５１の注入を行う。オイル５１の注入は、水中観測装置１を縦置き状態にして行ってもよいし、横置き状態にして行ってもよい。縦置き状態とは、弾性体３１側がｚ軸負側に、閉塞板２１側がｚ軸正側になるように配置することを意味する。縦置き状態でオイル５１を注入した場合、筐体１０内にオイル５１を充填しやすく、筐体１０内全体にわたってより均等に充填することができる。

なお、図３に示す状態で、弾性体３１及び支持部材４１はｘ軸正方向に突出している。したがって、水中観測装置１を縦置きにする場合、当該突出部を収容可能な凹部形状を有する台などに配置して、オイル５１の注入を行うことができる。また、エアー吸引の際も、水中観測装置１を縦置き状態にして行ってもよい。

筐体１０内の空間が負圧に（真空状態に）なったところで、ポンプバルブを閉じ、オイルバルブを開く。これにより、負圧となっている筐体１０内の空間に、オイル貯蔵部からオイル５１が注入される。エアー吸引とオイル注入は、一回の工程で行ってもよいし、エアー吸引とオイル注入の工程を複数回繰り返して行ってもよい。エアー吸引とオイル注入の工程を複数回行う場合、２回目以降のエアー吸引を行うことによって、先の工程で筐体１０内に注入されたオイル５１の真空脱泡も行うことができる。すなわち、オイル５１に含まれ得る気体を脱泡することができる。

筐体１０内の空間にオイル５１が充填されたか否かを判断するには、オイル貯蔵部に貯蔵されているオイル５１の量の変化を確認することによって判断できる。または、エアー排気孔２２若しくはオイル注入孔２３からオイル５１が溢れ出た場合、筐体１０内の空間にオイル５１が充填されたと判断することができる。

筐体１０内の空間にオイル５１が充填されたと判断した場合、作業者はポンプバルブ及びオイルバルブを共に閉じ、エアー排気孔２２からパイプ２８を取り外し、オイル注入孔２３からパイプ２９を取り外す。

その後、作業者は、エアー排気孔２２及びオイル注入孔２３に気密部材２４をねじ込みまたは圧入して止栓する（図２参照）。

ただし、この時点では、筐体１０内の空間には、エアーが残存している可能性がある。そこで、まず、気密部材２４を装着した後、スペーサ２７を取り外す。スペーサ２７としてＣ型部材を複数組み合わせたものを用いた場合、各Ｃ型部材は強固に固定されていないため、容易に取り外すことができる。ここで、筐体１０内の空間の気密性は、Ｏリング２１ｂによって達成されている。したがって、スペーサ２７を外した場合であっても、筐体１０内の空間の気密性は損なわれない。

続いて作業者は、スペーサ２７を取り外した状態で、固定部材２５ａ、２５ｂを用いて筐体１０と閉塞板２１とを固定する（図２参照）。固定する際に、閉塞板２１を筐体１０の方向（ｘ軸正方向）へと押し込みつつ、固定を行う。閉塞板２１を押し込みつつ固定を行うと、筐体１０内の空間の体積が圧縮され、筐体１０内の圧力が上昇する。これにより、筐体１０内の空間に残存するエアーの体積を縮小させることができる。また、オイルが多く注入されたことで弾性体３１が膨らみ支持部材４１との空間Ｓと体積Ｖ１が大きくなりＶ１≧Ｖ２の関係を満たしやすくなる。

なお、スペーサ２７として圧縮可能な弾性体を用いた場合は、スペーサ２７を押し潰すようにして、固定部材によってｘ軸正方向へと押し込みつつ、固定することができる。

特許文献１に記載の水中観測装置では、オイルを注入するために筐体内を真空引きする際に、筐体の一方の開口面に配設された弾性体が筐体内部に引き込まれ、弾性体に過度な変形が生じるという問題点があった。

これに対し、本実施の形態に係る水中観測装置は、筐体内に支持部材を備える。支持部材は剛性であり、弾性体の内面形状に沿った形状を有する。筐体内に支持部材を設けることで、弾性体が支持部材にあたり、過度な変形を防ぐことができる。

具体的には、水中観測装置を水中で使用する際に、水圧強度に対して弾性体の変形量を小さくすることができる。また、筐体内を真空引きしつつオイルを筐体内に注入する際に、弾性体の筐体内への引き込みを防止するための治具を装置外に用いることなく、弾性体の過度な変形を防止することができる。したがって、弾性体への負荷を低減することができる。

さらに、筐体内に支持部材を設けることにより、支持部材の体積によって筐体内のオイルが充填される空間の体積を減少させることができる。したがって、充填するオイル量を削減することも可能である。

なお、本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 水中観測装置
１０ 筐体
１１ センサ
１２ シャフト
１３ 絶縁リング
１４ センサ側端子
１５ 信号線
１６ 筐体側端子
１７ 信号取出端子
２１ 閉塞板
２１ａ 凸部
２１ｂ Ｏリング
２２ エアー排気孔
２３ オイル注入孔
２４ 気密部材
２４ａ Ｏリング
２５ａ、２５ｂ 固定部材
２７ スペーサ
２８、２９ パイプ
３１ 弾性体
３１ａ 内面
３２ 外縁部
４１ 支持部材
４１ａ 面
４１ｃ 面
４２ 貫通孔
４３ 端部
４４ リング
５１ オイル
Ｓ 空間

Claims (6)

1. 両端が開口した筐体と、
   前記筐体内に配置され、水中の環境情報を取得可能なセンサと、
   前記筐体の第１の開口面を閉塞する閉塞板と、
   前記筐体の第２の開口面を閉塞するとともに前記水中の圧力に応じて変形可能な弾性体と、
   前記筐体内に配置され、前記弾性体の内面形状に沿った形状を有する剛性の支持部材と、
   前記筐体内に充填された液体と、を備え、
   前記弾性体の内面と、当該内面に対向する前記支持部材の面とが互いに離間した状態で配設されている、
   水中観測装置の製造方法であって、
   前記筐体と前記閉塞版との間にスペーサを挟む工程と、
   前記筐体内のエアーを吸引する工程と、
   前記筐体内に前記液体を注入する工程と、
   前記スペーサを取り外すか、又は、押し潰す工程と、
   を含む、
   水中観測装置の製造方法。
2. 前記弾性体の内面と、当該内面に対向する前記支持部材の面とで形成される空間の体積をＶ１とし、
   前記水中観測装置を前記水中に配置する前の前記液体の体積から、水圧によって収縮した前記液体の体積を減算して求められる差の体積をＶ２としたとき、
   Ｖ１≧Ｖ２の関係を満たすように、前記液体の注入量を調整する、請求項１に記載の水中観測装置の製造方法。
3. 前記支持部材は、中密若しくは中空の三次元構造体、又は、板状部材によって構成される、請求項１又は２に記載の水中観測装置の製造方法。
4. 前記支持部材は、前記弾性体の内面と、当該内面に対向する前記支持部材の面とで形成される空間と前記筐体内とをつなぐ少なくとも１つの貫通孔を備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の水中観測装置の製造方法。
5. 前記液体の注入は、前記弾性体側が鉛直方向下側で、前記閉塞板が鉛直方向上側となるように配置された状態で、前記閉塞板に設けられた注入口を介して行われる、
   請求項４に記載の水中観測装置の製造方法。
6. 前記センサは、圧力センサ、温度センサ、又は超音波センサである、請求項１～５のいずれか一項に記載の水中観測装置の製造方法。